Energiewende

"Das Netz der Zukunft wird extrem stark IT-gesteuert sein. Die Digitalisierung wird die Energiewelt genauso durchfluten wie alle anderen Lebensbereiche auch."
Holger Hanselka

Das Energiesystem der Zukunft wird in vielen Bereichen völlig anders aussehen als das heutige. Der Anteil der Erneuerbaren wird deutlich steigen, das Netz wird kein Strom-, sondern ein IT-gesteuertes Energienetz sein, das mit den Schwankungen der dezentralen Quellen umgehen kann. Welchen Beitrag muss die Forschung leisten? Auf diesen Seiten stellen wir die Projekte der Helmholtz-Gemeinschaft zur Energiewende vor.

Das Energiesystem der Zukunft

Forschung an zukunftsweisenden Technologien, die für den Umbau der Energieversorgung wichtig sind, ist nötig. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf Erneuerbaren Energien, Energieeffizienz, Energiespeicher und Netztechnologien.

Die Energieforschung der Helmholtz-Gemeinschaft nimmt dabei eine wichtige Rolle ein. Im Forschungsbereich Energie der Helmholtz-Gemeinschaft betreiben Wissenschaftler neben der Grundlagenforschung, anwendungsorientierte Technologieentwicklung. Darüber hinaus sollen in einem übergreifenden Forschungsprojekt bis 2019 verwertbare systemtechnische Lösungen für die Energiewende erarbeitet werden.

Dafür wurde die Initiative „Energie System 2050“ ins Leben gerufen. Sie vernetzt die acht am Forschungsbereich Energie beteiligten Helmholtz-Zentren und fokussiert sich auf fünf grundlegende Herausforderungen der Energiewende. Diese Schwerpunkte decken eine große Bandbreite der notwendigen Forschung für den Umbau der Energieversorgung und der Energielandschaft ab.

Speicher und Netze

Koordinatoren: Prof. Dr. Mathias Noe (KIT), Dr. Dirk Witthaut (FZJ)

Helmholtz-Zentren: DLR, FZJ, GFZ, HZB, HZDR, KIT

Versorgungssicherheit gehört zu den zentralen Aufgaben bei der Energiewende. Manchmal wird mehr Energie verbraucht, als durch Erneuerbare erzeugt werden kann. Wenn die Sonne scheint und der Wind kräftig weht, wandern phasenweise aber auch erhebliche Überschüsse in die Verteilernetze. Gigantische Windkraftanlagen zum Beispiel produzieren in der Nordsee Strom, der in ganz Deutschland verteilt werden muss.

In der gesamten Bundesrepublik produzieren zudem immer mehr kleine und mittlere Versorger Energie. Damit diese nicht verpufft, muss sie gespeichert werden. Strom fließt aus verschiedenen Quellen in verschiedene Richtungen durch die Netze. Leitungen müssen also umfangreich ausgebaut werden. Zudem braucht es sichere und bezahlbare Energiespeicher, um Angebot und Nachfrage auszugleichen.

Das Forschungsthema „Speicher und Netze“ widmet sich Aufbau und Verhalten wesentlicher Energiekomponenten und der Schnittstellen zwischen ihnen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erarbeiten Modelle für verschiedene Energieträger wie Strom, Gas und Wärme. Sie simulieren und erstellen Netzmodelle für die Strom- und Gasversorgung. Sie untersuchen, wie Netze verschiedener Energieträger miteinander gekoppelt werden können.

Biogene Energieträger

Koordinatoren: Prof. Dr. Dieter Stapf (KIT), Prof. Dr. Daniela Thrän (UFZ)

Helmholtz-Zentren: DLR, FZJ, KIT, UFZ

Auch organische Stoffe können als erneuerbare Energiequellen genutzt werden, indem man Strom- und Wärme aus ihnen erzeugt.

So kann Biogas in einem Blockheizkraftwerk (BHKW) in Strom und Heizwärme umgewandelt werden, reines Pflanzenöl oder Biodiesel (Raps-Methyl-Esther) dient etwa als Treibstoff für Kraftfahrzeuge (Ersatz für Diesel), oder es wird ebenfalls in einem BHKW verheizt.

Forscherinnen und Forscher aus vier Helmholtz-Zentren arbeiten daran, organisches Material in Kraftstoffe, chemische Grundstoffe sowie Strom und Wärme umzuwandeln. Sie optimieren den Prozess technisch und wirtschaftlich. Dafür nutzen sie eine modifizierte Synthesegasturbine als Strom- und Wärmequelle im industriellen Maßstab.

Die Forscherinnen und Forscher untersuchen auch die Prozesse zur Umwandlung von Biomassen in Zwischenprodukte mit höherer Energiedichte. Diese sollen sich wirtschaftlich über lange Strecken transportieren lassen, um in zentralen Anlagen zu Synthesegas weiterverarbeitet zu werden. Das Ziel: Die Rohstoffe sollen effizienter in Energie umgewandelt werden und dadurch die Kosten deutlich sinken.

Zudem verknüpfen sie biogene Synthesegaserzeugung und Wasserstoffbereitstellung durch Elektrolyse. Auf diesem Weg sollen synthetische Flüssigkraftstoffe und speicherbare gasförmige Energieträger hergestellt werden.

Energie- und Rohstoffpfade mit Wasserstoff

Koordinatoren: Prof. Dr. Detlef Stolten (FZJ), Dr. Axel Liebscher (GFZ)

Helmholtz-Zentren: DLR, FZJ, GFZ, HZB, UFZ

Wasserstoff ist vielseitig einsetzbar, beispielsweise als Kraftstoff für Fahrzeuge oder als Rohstoff für die Industrie. Um Wasserstoff als Energieträger nutzen zu können, muss das Gas aus Wasser oder Methan gewonnen werden.

Das geschieht etwa durch Elektrolyse: Bei diesem Verfahren trennt man mit Strom Wasser in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff und fängt die aufsteigenden Gase auf. So lassen erneuerbare Energien sich vom Stromsektor in die Sektoren Industrie und Verkehr übertragen. Strom- und Gasinfrastrukturen müssen dafür vernetzt werden. Außerdem braucht es neuartige große Speicher dafür.

Im Forschungsthema „Energie- und Rohstoffpfade mit Wasserstoff“ untersuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Rolle von Wasserstoff bei der Reduktion von Treibhausgasen, erarbeiten Konzepte zum Aufbau einer integrierten Infrastruktur für Strom und Wasserstoff. Sie untersuchen und bewerten zudem, wie Industrie und Haushalte sich auf diesem Weg energetisch selbst versorgen könnten.

Lebenszyklusorientierte Nachhaltigkeitsanalyse auf Systemebene

Koordinatoren: Dr. Tobias Naegler (DLR), Dr. Petra Zapp (FZJ)

Helmholtz-Zentren: DLR, FZJ, HZB, HZDR, IPP, KIT, UFZ

Für den Erfolg der Energiewende sind nicht nur die technisch-naturwissenschaftlichen und ökologischen Seiten relevant, sondern auch die ökonomischen und sozialen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von sieben Helmholtz-Zentren analysieren diese Bereiche.

Dafür übertragen sie die Methode des Life Cycle Sustainability Assessment auf die Ebene von Energiesystemen, was sich im Namen des Forschungsthemas widerspiegelt: „Lebenszyklusorientierte Nachhaltigkeitsanalyse auf Systemebene“. Untersuchungsobjekte sind Speicher und Netze, biogene Energieträger sowie Wasserstoffpfade.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler betrachten deren Lebenszyklus unter technischen, ökologischen, wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Aspekten. Dabei sind auch Wechselwirkungen mit Bereichen außerhalb des Energiebereichs relevant, beispielsweise Flächennutzungskonkurrenz. Analysiert werden auch soziale Indikatoren, wie Beschäftigungs- und Einkommenseffekte oder die Wahrnehmung und Akzeptanz von Technologien. Ziel ist es, die Nachhaltigkeit von Energietechniken gesamtgesellschaftlich zu analysieren und dies in wesentlichen Parametern zu erfassen.

Toolbox mit Datenbanken

Koordinatoren: Prof. Dr. Veit Hagenmeyer (KIT), Prof. Dr. Dirk Müller (RWTH Aachen/JARA)

Helmholtz-Zentren: DLR, FZJ/JARA, GFZ, IPP, KIT

Das Energiesystem der Zukunft wird dezentral er organisiert sein, Erzeuger und Verbraucher darin zeitlich variabel agieren. Energie wird vielfach umgewandelt und gespeichert. Alle Komponenten dieses Systems müssen komplexe und dynamische Prozesse bewältigen können.

Diese Prozess- und Steuerungsvariablen erforschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Forschungsthemas „Toolbox mit Datenbanken“. Sie beschreiben die wesentlichen Komponenten des zukünftigen Systems in ihren physikalischen und systemischen Eigenschaften. Dafür müssen die Wechselwirkungen der einzelnen Komponenten untereinander und deren Verhalten in einem übergeordneten Energiesystem ermittelt werden.

Daraus entwickeln sie Teilmodelle für die einzelnen Komponenten (wie Erzeuger, Speicher und Verbraucher) sowie der Verbindungselemente (wie Strom- und Gasnetze, Wärme- und Kältenetze) im Gesamtsystem. Ziel dieses Forschungsthemas ist einerseits, einheitliche Datenformate zu definieren und verschiedene Datenquellen zusammenzufügen. Zudem sollen einheitliche Modelle für Komponenten des Energiesystems entwickelt und zuverlässige Algorithmen für die Planung, den Betrieb und die Optimierung des Gesamtenergiesystems erstellt werden.

Autor: Lars Klaaßen

Forschungsprogramme des Forschungsbereichs Energie

Neben der gemeinsamen Initiative "Energie System 2050" des Forschungsbereichs Energie arbeiten Helmholtz-Wissenschaftler daran, Lösungen für die Energieversorgung zu entwickeln, die ökonomisch, ökologisch und gesellschaftlich tragbar sind. Die Arbeiten im Forschungsbereich Energie gliedern sich dabei in sieben Forschungsprogramme. Alle Programme werden in interdisziplinären Arbeitsgruppen und internationaler Zusammenarbeit vorangetrieben. Forschungsinfrastrukturen, Großexperimente, Pilotanlagen, Testanlagen für Großkomponenten, hochleistungsfähige Analysesysteme und große Rechnerkapazitäten stehen hierfür zur Verfügung.

 

Forschungsprogramme

Energy Efficiency, Materials and Resources

Das Forschungsprogramm kombiniert die Notwendigkeit für höhere Effizienz bei der Energiegewinnung und dem Ressourcenverbrauch mit der Entwicklung neuer Materialien.

Renewable Energies

Das Programm beschäftigt sich mit der Erforschung und Weiterentwicklung innovativer komplementärer Technologien für ein Energiesystem, das auf der Nutzung erneuerbarer Energien basiert.

Storage and Cross-linked Infrastructures (SCI)

Das neu konzipierte Programm widmet sich der Erforschung und Entwicklung von unterschiedlichen  Energiespeichersystemen und effizienten Infrastrukturen, um die volatile Energiebereitstellung der erneuerbaren Energien zu kompensieren sowie die Herausforderungen der Energieübertragung und -verteilung zu bewältigen.

Future Information Technology – Fundamentals, Novel Concepts, and Energy Efficiency

Forschungsziel dieses Helmholtz-Forschungsprogrammes ist es mittels neuer innovativer Forschungsansätze neue Bauelemente und Architekturkonzepte zu entwickeln, um die Rechenleistung, Datenspeicherdichten und Datenübertragungsraten von Informationstechnologien zu erhöhen und gleichzeitig den Bedarf an elektrischer Energie dramatisch zu reduzieren.

Technology, Innovation and Society

Ziel des forschungsbereichsübergreifenden Programms ist die Erforschung ökologischer, ökonomischer, politischer, ethischer und sozialer Aspekte neuer Technologien zur Unterstützung von Entscheidungen in Politik, Wirtschaft und Gesellschaft.

Nuclear Waste Management, Safety and Radiation Research

Das Forschungsprogramm adressiert Sicherheitsfragen der nuklearen Entsorgung einschließlich der Langzeitsicherheit der Endlagerung sowie der Sicherheit von Kernkraftwerken.

Nuclear Fusion

Das Programm trägt in Zusammenarbeit mit seinen europäischen und internationalen Partnern dazu bei, ein Fusionskraftwerk zu realisieren.

Energieforschung an den Helmholtz-Zentren

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Das DLR  liefert vielfältige Beiträge in Form technischer Entwicklungen, um die Transformation des Energiesystems erfolgreich zu gestalten.

Energieforschung im DLR

 

Kernforschungsthemen

Verbrennungs- und Gasturbinentechnik 

Energiespeicher, Elektrolyse und Brennstoffzellen

Solarforschung 

Systemanalyse

Windenergieforschung

 

Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Das KIT-Zentrum Energie verknüpft grundlegende und angewandte Forschung zu allen relevanten Energien für Industrie, Haushalt, Dienstleistungen und Mobilität. Im Mittelpunkt steht die Entwicklung eines Gesamtkonzepts für den Energiemix der Zukunft.

Energieforschung im KIT

 

Kernforschungsthemen

Energieumwandlung

Erneuerbare Energien

Energiespeicherung und Energieverteilung

Effiziente Energienutzung

Fusionstechnologie

Kernenergie und Sicherheit

Energiesystemanalyse

 

Forschungszentrum Jülich

Das Forschungszentrum Jülich arbeitet interdisziplinär an den wissenschaftlichen und technologischen Grundlagen für den Umbau unseres Energiesystems. Das Ziel ist es, zu einer sicheren, bezahlbaren, umweltschonenden und erneuerbaren Energieversorgung beizutragen.

Energieforschung im FZJ

 

Kernforschungsthemen

Photovoltaik

Speicher und Wasserstoff

Brennstoffzellen

Dynamische Kraftwerke

Materialfragen der Kernfusion

Nukleare Entsorgung und Sicherheit

Energieeffizienz: Green IT

Atmosphäre und Klima

Pflanzenforschung und Terrestrische Systeme

Bioökonomie

Systemforschung

 

Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie

 

Das HZB entwickelt aktuelle und zukünftige wissenschaftliche Grundlagen, technische Lösungen, und innovative Konzepte für eine sichere, bezahlbahre, effiziente und umwelträgliche Energiebereitstellung.

Energieforschung im HZB

Das HZB beteiligt sich in vier Forschungsprogrammen des Forschungsbereichs ENERGIE:

Erneuerbare Energien (EE)

Energieeffizienz, Materialien und Ressourcen (EMR)

Speicher und vernetzte Infrastrukturen (SVI)

Future Information Technology (FIT)

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)

Das HZDR beschäftigt sich mit der nachhaltigen, sicheren und effizienten Energieversorgung. Und sucht nach Lösungen, um vorhersehbaren globalen Engpässen und den Anforderungen der modernen Gesellschaft gerecht zu werden.

Energieforschung im HZDR

Helmholtz-Zentrum Potsdam

Deutsches Geo Forschungs Zentrum GFZ

Das GFZ fokussiert sich auf die umweltfreundliche und ökonomisch nachhaltige Nutzung der Erdwärme für die Wärme- und Stromversorgung. Der Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung von standortunabhängigen Konzepten zur Erschließung und zum Engineering von geothermischen Reservoiren, um eine nachhaltige Nutzung in verschiedenen geologischen Umgebungen sicherzustellen. Ein weiterer Forschungsschwerpunkt ist die unterirdische Speicherung von thermischer Energie in Aquiferen (Grundwasserleitern).

Energieforschung im GFZ

 

Kernforschungsthemen

Geothermische Energiesysteme

 

Max-Planck-Institut für Plasmaphysik

Das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik untersucht die Grundlagen für ein Fusionskraft­­werk, das - ähnlich wie die Sonne - Energie aus der Verschmelzung leichter Atomkerne gewinnen soll.

Energieforschung im Max-Planck-Institut für Plasmaphysik

 

Kernforschungsthemen

Kernfusion

Plasma

Zündbedingungen

Magnetischer Einschluss

Plasmaheizung

Verunreinigungen

Instabilitäten

Plasmadiagnostik

Materialforschung

 

Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung - UFZ

Das UFZ forscht im Bereich Erneuerbare Energien. Die Kernforschungsthemen sind: Geothermie, stoffliche und energetische Nutzung von Biomasse, artifizielle Photosynthese sowie Akzeptanz- und Steuerungsfragen der Energiewende.

Energieforschung im UFZ

 

Kernforschungsthemen

Landnutzung / Biodiversität / Erneuerbare Energien

Wasser / Boden

Chemikalien in der Umwelt / Gesundheit

Kontakt

    • Kommunikation und Außenbeziehungen
    • Helmholtz-Geschäftsstelle
  • Photo of Roland Koch
    • Roland Koch
    • Pressesprecher / Stellv. Bereichsleiter Kommunikation und Außenbeziehungen

Forschungsbereich Energie

Die Arbeiten im Forschungsbereich Energie der Helmholtz-Gemeinschaft gliedern sich in sieben Forschungsprogramme.

Alle Programme finden Sie hier.